Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46632
ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-7981-2161
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Topological phases in two-dimensional systems
Alternate title (s): Fases topológicas em sistemas bidimensionais
Author: Lopes, Emmanuel Victor Caires
First Advisor: Schmidt, Tome Mauro
First member of the Committee: Martins, George Balster
Second member of the Committee: Ferreira Junior, Gerson
Third member of the Committee: Lima, Felipe David Crasto de
Fourth member of the Committee: Costa, Marcio Jorge Teles da
Summary: Nesta tese, investigamos o surgimento de propriedades topológicas em sistemas bidimensionais (2D). Realizamos os cálculos utilizando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e métodos tight-binding. O primeiro sistema estudado foi a monocamada de bismuto, um conhecido isolante topológico, dopado com um átomo magnético. Nossos cálculos mostraram que as propriedades magnéticas introduzidas não afetam a fase topológica. Notavelmente, demonstramos que, quando as impurezas estão localizadas próximas à borda, surge um acoplamento de longo alcance. Além disso, verificamos duas transições de fase magnética em função da distância entre as impurezas, comportamento característico das interações Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY). Essas conclusões foram validadas por meio do Hamiltoniano RKKY, cujos resultados apresentam boa concordância com os cálculos de DFT. A segunda fase topológica investigada neste trabalho emerge em estruturas porosas de SiGe e Ge semelhantes ao grafenileno. Verificou-se cruzamentos de bandas quadruplamente degenerados que, com a inclusão do acoplamento spin-órbita, se dividem em um par de pontos de Weyl. Suas propriedades topológicas foram confirmadas por meio do cálculo da quiralidade de Weyl e da curvatura de Berry. Essas conclusões foram corroboradas pelos estados topológicos de borda que conectam pontos de Weyl com quiralidades opostas, arcos de Fermi. Por fim, estudamos o efeito Hall quântico anômalo em monocamadas de 1T-CrX2 (X = Bi, Sb) sob tensão biaxial extrema. Essa fase surge da interação entre o acoplamento spin-órbita, efeitos de muitos elétrons e deformação biaxial. Estados topológicos de borda também foram observados, concordando com a correspondência entre bulk e borda. Os resultados deste capítulo ampliam a lista de materiais magnéticos bidimensionais com a predição do sistema 1T-CrBi2. Para ambos os sistemas, nossos cálculos mostram temperaturas de Curie acima de 160 K, o que fornece descobertas valiosas para o contexto do efeito Hall quântico anômalo.
Abstract: In this thesis, we investigate the emergence of topological properties in two-dimensional (2D) systems. We perform the calculations using density functional theory and tight-binding methods. The first system we investigate is a bismuth monolayer, a well-known topological insulator, doped with magnetic atoms. Our calculations show that the introduced magnetic perturbation does not affect the topological phase. Notably, we verify that when the impurities are located near the edge, a long-range coupling arises between them. Additionally, we note the occurrence of two magnetic phase transitions as a function of the inter-impurity distance, a signature of Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interactions. These conclusions are validated by means of the derived RKKY Hamiltonian, whose results show good agreement with DFT calculations. The second topological phase investigate in this work emerges in graphenylene-like porous SiGe and Ge structures. We find fourfold degenerate band crossings which, under spin-orbit coupling, split into a pair of Weyl points. Their topological properties are confirmed through Weyl chirality and Berry curvature calculations. These conclusions are supported by the bulk-boundary correspondence, where we verify topological edge states (2D Fermi arcs) connecting Weyl points with opposite chiralities. Finally, we study the quantum anomalous Hall effect in extremely biaxial tensile strained 1T-CrX2 (X = Bi, Sb) monolayers. This topological phase arises from the interplay of spin-orbit coupling, many-body effects and biaxial tensile strain. Topological edge states are also observed, consistent with the bulk-boundary correspondence. The results of this investigation extend the list of two-dimensional magnetic materials, in which we predict the stability of the free standing 1T-CrBi2 monolayer. For both systems, our calculations show Curie temperatures above 160 K, which provides valuable findings for the quantum anomalous Hall context.
Keywords: Propriedades topológicas
Topological properties
Materiais bidimensionais
Two-dimensional materials
Interação spin-órbita
Spin-orbit interaction
Estrutura eletrônica
Electronic structure
Isolantes topológicos
Topological insulators
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Subject: Física
Density functionals
Topology
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Quote: LOPES, Emmanuel Victor Caires. Topological phases in two-dimensional systems. 2025. 108 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.5514.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.5514
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46632
Date of defense: 18-Jul-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Appears in Collections:TESE - Física

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